Fieldbus Cable Suppliers

โปรโตคอลกำหนดพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของสายเคเบิล Fieldbus อย่างไร และเหตุใดจึงไม่สามารถทดแทนได้อย่างอิสระ

สายเคเบิล Fieldbus ไม่ใช่สายสัญญาณทั่วไปที่มีป้ายกำกับ fieldbus — โปรโตคอล fieldbus หลักแต่ละโปรโตคอลจะกำหนดข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่แม่นยำสำหรับสายเคเบิล Physical Layer และลักษณะเฉพาะของอิมพีแดนซ์ ความจุต่อความยาวหน่วย และการลดทอนที่ความถี่สัญญาณเป็นพารามิเตอร์รับน้ำหนักในโมเดลการส่งผ่านของโปรโตคอล การเปลี่ยนสายเคเบิลที่ไม่ตรงตามพารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนพฤติกรรมการสะท้อนของสัญญาณ ความยาวส่วนของเครือข่ายสูงสุด และในบางโปรโตคอล จำนวนอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อที่อนุญาต ซึ่งมักจะไม่มีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัดในทันที แต่มีขอบเขตสัญญาณรบกวนที่ลดลงซึ่งแสดงว่าเป็นข้อผิดพลาดในการสื่อสารเป็นระยะ ๆ ภายใต้สภาวะการรบกวนทางไฟฟ้า

PROFIBUS DP ซึ่งเป็นฟิลด์บัสที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดในกระบวนการและระบบอัตโนมัติในโรงงาน กำหนดสายเคเบิลเลเยอร์ทางกายภาพใน IEC 61158-2 และข้อกำหนด โปรฟิบัส PA สายเคเบิลมาตรฐาน (ประเภท A) ได้รับการระบุไว้ที่อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ 135–165 Ω ที่ความถี่สูงกว่า 100 kHz, ความจุไฟฟ้าต่ำกว่า 30 pF/m, ความต้านทานลูปต่ำกว่า 110 Ω/กม. และการลดทอนต่ำกว่า 3 dB/100 ม. ที่ 100 kHz พารามิเตอร์เหล่านี้พึ่งพาซึ่งกันและกัน: สายเคเบิลที่มีอิมพีแดนซ์ที่ถูกต้องแต่ความจุไฟฟ้ามากเกินไปจะยุติการสะท้อนที่การเชื่อมต่อโหนดอย่างถูกต้อง แต่จะทำให้สัญญาณเสื่อมโทรมมากเกินไปบนส่วนยาว ส่งผลให้ความยาวส่วนสูงสุดที่มีประสิทธิผลต่ำกว่า 1,200 ม. ที่ระบุไว้ในมาตรฐาน สายเคเบิลที่มีความจุที่ถูกต้องแต่อิมพีแดนซ์ต่ำจะทำให้เกิดการสะท้อนที่การเชื่อมต่อ stub แบบพาสซีฟทุกอันที่ซ้อนทับบนสัญญาณข้อมูล เพิ่มอัตราข้อผิดพลาดโดยเฉพาะที่อัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุด 12 Mbps

เหตุผลที่คุณลักษณะอิมพีแดนซ์ได้รับการระบุอย่างแม่นยำสำหรับสายเคเบิลฟิลด์บัสที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อแบบต้นขั้ว ในส่วน PROFIBUS หรือ ดีไวซ์เน็ต อุปกรณ์จะเชื่อมต่อผ่านสตับสั้นที่แยกจากอุปกรณ์หลัก สายเคเบิลบัส . ที่จุดเชื่อมต่อแต่ละจุด สายเคเบิลบัสจะมองเห็นความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์แบบขนาน ถ้าอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลบัสอยู่ภายในข้อกำหนด ความไม่ต่อเนื่องที่สร้างโดยสตับจะมีน้อย และแอมพลิจูดของสัญญาณที่สะท้อนจะต่ำกว่าขีดจำกัดสัญญาณรบกวนของเครื่องรับ หากความต้านทานของสายเคเบิลบัสต่ำกว่าข้อกำหนด 20% ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีการเปลี่ยนสายเคเบิลที่ไม่ระบุราคาราคาประหยัด แอมพลิจูดที่สะท้อนที่แต่ละต้นขั้วจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน และด้วยอุปกรณ์สูงสุด 32 เครื่องต่อเซกเมนต์ PROFIBUS พลังงานที่สะท้อนสะสมจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดบิตที่ 12 Mbps ที่ไม่ปรากฏที่ 1.5 Mbps ทำให้เกิดปัญหาความน่าเชื่อถือในการสื่อสารที่ขึ้นกับอัตราบอด ซึ่งวินิจฉัยได้ยากมากโดยไม่ต้องใช้เครื่องวิเคราะห์บัสและอุปกรณ์วัดอิมพีแดนซ์

ข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิลเลเยอร์ทางกายภาพในโปรโตคอล Fieldbus หลัก

โปรโตคอล fieldbus หลักแต่ละโปรโตคอลมีข้อกำหนดเฉพาะของเลเยอร์ทางกายภาพที่แตกต่างกัน ซึ่งกำหนดโครงสร้างสายเคเบิลที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งที่เป็นไปตามข้อกำหนด การใช้สายเคเบิลผิดประเภท แม้แต่สายเคเบิลที่มีลักษณะคล้ายกัน จะส่งผลให้การติดตั้งไม่เป็นไปตามข้อกำหนด ซึ่งอาจผ่านการทดสอบการใช้งานเบื้องต้นที่ความยาวส่วนสั้นๆ แต่ล้มเหลวที่ขอบเขตเครือข่ายสูงสุดที่ระบุ หรือภายใต้สภาวะสัญญาณรบกวนที่เลวร้ายที่สุด

ขีดจำกัดความยาวส่วนที่แสดงไว้ด้านบนไม่ใช่ขีดจำกัดความยาวสายเคเบิลเพียงอย่างเดียว - ขีดจำกัดนี้แสดงถึงความยาวเส้นทางไฟฟ้าทั้งหมดสูงสุดที่การสะท้อนสัญญาณทั้งหมด งบประมาณความล่าช้าในการแพร่กระจาย และขีดจำกัดการลดทอนสามารถทำได้พร้อมกัน สำหรับโปรโตคอลที่มีความยาวเซ็กเมนต์ขึ้นอยู่กับอัตรารับส่งข้อมูล (PROFIBUS DP, CANopen) ขีดจำกัดที่อัตรารับส่งข้อมูลสูงจะถูกกำหนดตามความล่าช้าในการแพร่กระจาย — เวลาการแพร่กระจายสัญญาณไปกลับจากปลายด้านหนึ่งของเซ็กเมนต์ไปยังอีกด้านหนึ่งจะต้องน้อยกว่าระยะเวลาบิตของโปรโตคอล ที่ PROFIBUS DP ความเร็ว 12 Mbps ระยะเวลาหนึ่งบิตจะอยู่ที่ประมาณ 83 ns และการแพร่กระจายของสัญญาณในสายเคเบิลที่มีความเร็วการแพร่กระจาย (VOP) ที่ 66% ของความเร็วแสงครอบคลุมประมาณ 8 เมตรต่อนาโนวินาที ทำให้เหลือระยะขอบน้อยมากสำหรับส่วนที่ยาว ที่อัตรารับส่งข้อมูลที่ต่ำกว่า คาบบิตจะนานพอที่จะทำให้การหน่วงเวลาการแพร่กระจายไม่ใช่ปัจจัยจำกัดอีกต่อไป และการลดทอนจะกลายเป็นพารามิเตอร์จำกัดความยาวเซ็กเมนต์แทน

บทบาทของความเร็วของการแพร่กระจายในช่วงเวลาของเครือข่าย Fieldbus และการก่อสร้างสายเคเบิลมีผลกระทบอย่างไร

ความเร็วของการแพร่กระจาย (VOP) — ความเร็วที่สัญญาณเดินทางผ่านสายเคเบิลซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสงในสุญญากาศ — เป็นพารามิเตอร์พื้นฐานสำหรับโปรโตคอลฟิลด์บัสความเร็วสูง โดยที่ความล่าช้าในการแพร่กระจายจะกำหนดความยาวส่วนสูงสุด VOP ถูกกำหนดโดยค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวนทั้งหมด: VOP = 1/√εr × 100% โดยที่ εr คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของฉนวน สายเคเบิลที่มีฉนวนโพลีเอทิลีน (εr mut 2.3) มี VOP ประมาณ 66% สายเคเบิลที่มีฉนวน PVC (εr γ 3.5–4.5) มี VOP ประมาณ 47–53% สำหรับโปรโตคอลที่มีงบประมาณการหน่วงเวลาการแพร่กระจาย 500 ns ความยาวสายเคเบิลสูงสุดที่มีฉนวน PE คือ 500 ns × 0.66 × 3 × 10⁸ m/s = ประมาณ 99 เมตร สายเคเบิลแบบเดียวกันที่มีฉนวน PVC มีความยาวเพียง 71 เมตร ซึ่งลดความยาวส่วนสูงสุดลงได้ 28% จากการเลือกใช้วัสดุฉนวนเพียงอย่างเดียว

ความสัมพันธ์นี้อธิบายว่าทำไมข้อกำหนดเฉพาะของสายเคเบิล fieldbus สำหรับโปรโตคอลความเร็วสูงจึงต้องใช้ฉนวน PE แบบโพลีเอทิลีนหรือโฟมมากกว่า PVC อย่างสม่ำเสมอ และเหตุใดการเปลี่ยนสายเคเบิลคู่บิดเกลียวหุ้มฉนวน PVC ที่ดูเหมือนจะตรงตามข้อกำหนดด้านอิมพีแดนซ์จะยังคงให้การติดตั้งที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดที่ความยาวส่วนสูงสุด ความเร็วของการแพร่กระจายยังส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายเคเบิลด้วย เนื่องจาก Z₀ = √(L/C) โดยที่ L คือการเหนี่ยวนำต่อความยาวหน่วย และ C คือความจุไฟฟ้าต่อความยาวหน่วย และเนื่องจาก εr สูงขึ้น C จะเพิ่มขึ้นในขณะที่ปล่อยให้ L เป็นค่าคงที่โดยประมาณ ฉนวนคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงขึ้นจึงสร้างอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ต่ำกว่าและ VOP ที่ต่ำกว่า สายเคเบิลที่มีไว้สำหรับข้อกำหนดเฉพาะ 120 Ω (DeviceNet) ที่มีฉนวน PE ไม่สามารถแทนที่ด้วยสายเคเบิลที่มีขนาดทางกายภาพเท่ากันได้ แต่เป็นฉนวน PVC ที่ไม่มีความต้านทานต่ำกว่าข้อกำหนด — ซึ่งแสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่าเหตุใดวัสดุฉนวนและความต้านทานจึงเป็นข้อกำหนดเฉพาะที่แยกกันไม่ได้สำหรับสายเคเบิลฟิลด์บัส

สำหรับเครือข่ายฟิลด์บัสอุตสาหกรรมที่ส่วนต่างๆ อาจใช้สายเคเบิลจากผู้ผลิตหลายราย (ซึ่งเป็นสถานการณ์ทั่วไปในการติดตั้งชุดติดตั้งเพิ่มเติม) ความไม่สอดคล้องกันของ VOP ระหว่างส่วนของสายเคเบิลทำให้เกิดความผิดปกติของเวลา สองส่วนของข้อกำหนดที่เหมือนกันในนามจากผู้ผลิตหลายรายที่มีค่า VOP อยู่ที่ 66% และ 60% ตามลำดับ ทำให้เกิดความแตกต่างในการหน่วงเวลาการแพร่กระจาย 10% ซึ่งแสดงออกมาเป็นการกระวนกระวายใจของจังหวะเวลาระหว่างแต่ละส่วน ในโปรโตคอลที่ไวต่อเวลา เช่น EtherCAT และ PROFINET IRT (เรียลไทม์แบบไอโซโครนัส) ซึ่งซิงโครไนซ์นาฬิกาแบบกระจายทั่วทั้งเครือข่ายให้มีความแม่นยำระดับไมโครวินาที ความแปรผันของ VOP ระหว่างส่วนของสายเคเบิลมีส่วนช่วยในการชดเชยเวลาอย่างเป็นระบบ ซึ่งจะต้องได้รับการชดเชยโดยเครือข่ายหลักระหว่างการทดสอบเดินเครื่อง โปรโตคอลที่ต้องการความแม่นยำของรอบเวลาต่ำกว่าไมโครวินาทีใน 20 ส่วนขึ้นไป ไม่สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลง VOP สูงได้ หากไม่มีกลไกการชดเชยนาฬิกาในเครือข่ายหลัก

สายเคเบิล DeviceNet: เหตุใดการรวมพลังงานและสัญญาณในสายเคเบิลบัสเดี่ยวจึงสร้างความท้าทายด้านข้อมูลจำเพาะที่ไม่เหมือนใคร

DeviceNet มีความโดดเด่นในกลุ่มโปรโตคอลฟิลด์บัสอุตสาหกรรมหลักในการผสานรวมกำลังไฟของอุปกรณ์ 24V DC และการส่งสัญญาณข้อมูลแบบ CAN ภายในสายเคเบิลเส้นเดียว สายเคเบิลแบบหนา (สายสัญญาณหลักแบบมาตรฐาน) ประกอบด้วยตัวนำ 5 ตัว: คู่สัญญาณส่วนต่าง CAN_H และ CAN_L (โดยทั่วไปคือ 18 AWG), คู่แหล่งจ่ายไฟ (โดยทั่วไปคือ 15 AWG สำหรับสายเคเบิลแบบหนา) และสายเดรน สถาปัตยกรรมแบบมัลติฟังก์ชั่นนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้งโดยการกำจัดสายไฟแยกต่างหากไปยังอุปกรณ์ภาคสนาม แต่สร้างความท้าทายด้านข้อกำหนดที่ไม่มีอยู่สำหรับสายเคเบิลฟิลด์บัสแบบสัญญาณเท่านั้น

ตัวนำไฟฟ้าในสาย DeviceNet มีกระแสโหลด DC สูงถึง 8A บนสายเคเบิลหลัก ทำให้เกิดความร้อน I²R ซึ่งจะยกระดับอุณหภูมิของคู่สัญญาณที่ใช้พื้นที่ตัดขวางของสายเคเบิลร่วมกัน ที่ตัวนำทองแดงขนาด 8A ถึง 15 AWG ความต้านทาน DC ของสายเคเบิลหลักยาว 100 เมตรจะสร้างความร้อนประมาณ 2.5 W ต่อตัวนำ ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้อุณหภูมิภายในสายเคเบิลสูงขึ้นเหนือสภาพแวดล้อมโดยรอบหลายองศาในการติดตั้งถาดสายเคเบิลโดยมีการกระจายความร้อนที่จำกัด อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้ส่งผลต่ออิมพีแดนซ์คุณลักษณะของคู่สัญญาณผ่านการขยายตัวทางความร้อนของฉนวน เพิ่มการสูญเสียอิเล็กทริกของฉนวน และเร่งการแก่ของสารประกอบแจ็คเก็ต ข้อมูลจำเพาะของ DeviceNet จำกัดกระแสสูงสุดในสายเคเบิลหลัก ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับพิกัดของตัวนำไฟฟ้าแบบแยกส่วนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับผลกระทบทางความร้อนรวมที่มีต่อประสิทธิภาพของคู่สัญญาณ — ข้อควรพิจารณาที่จะหายไปในสายเคเบิลแบบสัญญาณอย่างเดียวที่ไม่มีตัวนำไฟฟ้าที่สร้างความร้อน

แรงดันไฟฟ้าตกบนตัวนำไฟฟ้าเป็นข้อจำกัดประการที่สองซึ่งจำกัดความยาวของส่วนของ DeviceNet โดยไม่ขึ้นกับขีดจำกัดการส่งสัญญาณ อุปกรณ์ DeviceNet ต้องการแรงดันไฟฟ้าภายในช่วงที่กำหนด (11–25V) ที่ขั้วต่ออุปกรณ์ แหล่งจ่ายไฟ 24V ที่ก๊อกน้ำต้องไม่ลดลงต่ำกว่า 11V ที่อุปกรณ์ระยะไกลที่สุด สำหรับกระแสทรังค์ขนาด 6A มากกว่า 100 เมตรของสายเคเบิลทรังค์หนา (15 AWG, ความต้านทานลูปประมาณ 0.22 Ω/ม.) แรงดันไฟฟ้าตกคือ 6A × 0.22 Ω/ม. × 100 ม. × 2 (จ่ายและคืน) = 26.4 V ซึ่งเกินแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่มาก ในทางปฏิบัติ ก๊อกจ่ายไฟที่วางเป็นระยะตามส่วนของลำตัว รวมกับการคำนวณอย่างระมัดระวังของการดึงกระแสไฟสูงสุดของอุปกรณ์ต่อส่วนของเซกเมนต์ จะต้องรักษาแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์ทั้งหมดลดลงภายในข้อกำหนด ซัพพลายเออร์สายเคเบิล Fieldbus ที่ให้บริการสายเคเบิล DeviceNet ไม่ควรจัดเตรียมเฉพาะพารามิเตอร์สัญญาณ (อิมพีแดนซ์ ความจุไฟฟ้า) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความต้านทานของตัวนำไฟฟ้าต่อความยาวหน่วย และกราฟการลดพิกัดอุณหภูมิสำหรับทั้งตัวนำสัญญาณและตัวนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น

การต่อกราวด์ของชีลด์ในการติดตั้งสายเคเบิล Fieldbus และเหตุใดการต่อกราวด์ที่ไม่ถูกต้องทำให้เกิดปัญหามากกว่าการไม่มีชีลด์

แผงป้องกันสายเคเบิล Fieldbus เป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ใช้งานผิดบ่อยที่สุดในการติดตั้งระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม วัตถุประสงค์ของชีลด์คือเพื่อให้มีเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับกระแสรบกวนในโหมดทั่วไป เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสรบกวนเข้าสู่คู่สัญญาณเป็นสัญญาณรบกวนดิฟเฟอเรนเชียล การบรรลุเป้าหมายนี้จำเป็นต้องต่อกราวด์ชีลด์ในลักษณะที่ให้เส้นทางนี้ ในขณะเดียวกันก็ป้องกันความต่างศักย์ของกราวด์ระหว่างจุดต่อกราวด์จากการขับกระแสผ่านชีลด์ ซึ่งเป็นกระแสที่ซ้อนบนสัญญาณเป็นสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป และลดความน่าเชื่อถือในการสื่อสาร ความตึงเครียดระหว่างข้อกำหนดทั้งสองนี้ — กราวด์ชีลด์เพื่อเบี่ยงเบนเสียงรบกวน แต่หลีกเลี่ยงกราวด์กราวด์ที่ส่งเสียงรบกวน — ได้รับการแก้ไขแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับโปรโตคอลและสภาพแวดล้อมทางเสียงเฉพาะ

สำหรับ PROFIBUS DP คำแนะนำมาตรฐานคือการต่อกราวด์จุดเดียวของชีลด์สายเคเบิลที่ปลายแผงควบคุมของแต่ละส่วน โดยที่ชีลด์ปลายฟิลด์จะลอยลอยหรือเชื่อมต่อผ่านตัวเก็บประจุต่อสายดินที่มีอิมพีแดนซ์สูง การจัดเรียงนี้จะป้องกันไม่ให้กระแสกราวด์กราวด์ 50 Hz ไหลผ่านชีลด์ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำที่โดดเด่นในโรงงานผลิตส่วนใหญ่ ในขณะที่ยังคงให้การป้องกัน EMI ความถี่สูง เนื่องจากการเชื่อมต่อกราวด์แบบคาปาซิทีฟที่ปลายสนามมีอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่ที่สูงกว่าช่วงความถี่กราวด์กราวด์ ในทางปฏิบัติ การติดตั้งจำนวนมากจะต่อกราวด์ชีลด์ที่ปลายทั้งสองข้าง ซึ่งจะทำงานได้อย่างถูกต้องเมื่ออุปกรณ์ทั้งหมดในส่วนนี้ใช้ศักย์กราวด์ร่วมกัน ในโรงงานขนาดใหญ่ที่ศักยภาพของโครงข่ายกราวด์ระหว่างห้องควบคุมและกล่องรวมสัญญาณสนามระยะไกลอาจแตกต่างกัน 1–5V ที่ 50 Hz การต่อกราวด์ที่ปลายทั้งสองข้างจะขับกระแส 50 Hz ที่สำคัญผ่านแผงป้องกัน และสนามแม่เหล็กจากกระแสเหล่านี้จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่แตกต่างกันในคู่สัญญาณ ซึ่งถือเป็นการรบกวนที่แผงป้องกันมีจุดประสงค์เพื่อป้องกันอย่างแน่นอน

สำหรับ PROFIBUS PA และ Foundation Fieldbus H1 ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อการทำงานในพื้นที่อันตราย (โซน 1 และโซน 0) ภายใต้ข้อบังคับ ATEX และ IECEx การต่อสายดินของชีลด์ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทั้ง EMC และความปลอดภัยภายในพร้อมกัน ในการติดตั้งที่ปลอดภัยจากภายใน ชีลด์จะต้องต่อสายดินที่จุดเดียวเท่านั้น — พื้นที่ปลอดภัย — และชีลด์ปลายสนามจะต้องถูกแยกออกจากกราวด์อย่างน้อย 1 MΩ เพื่อป้องกันไม่ให้ชีลด์สร้างเส้นทางความผิดปกติของกราวด์ที่อาจเกินขีดจำกัดพลังงานของแผงกั้นที่ปลอดภัยจากภายใน ข้อจำกัดด้านสายดินนี้ไม่สามารถต่อรองได้ภายใต้กฎระเบียบของ IS การต่อกราวด์กราวด์ทั้งสองด้านบนส่วน PROFIBUS PA ในพื้นที่อันตรายจะทำให้การรับรองความปลอดภัยภายในของการติดตั้งเป็นโมฆะ ไม่ว่าการกราวด์กราวด์จะสร้างปัญหา EMC ที่ใช้งานได้หรือไม่

โปรโตคอลฟิลด์บัสอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม (EtherCAT, PROFINET) ที่ใช้สายเคเบิล Cat5e หรือ Cat6 มีข้อกำหนดการป้องกันของตัวเอง แนวปฏิบัติการวางสายเคเบิลที่มีโครงสร้างมาตรฐานระบุการสิ้นสุดชีลด์ 360° ที่ปลายทั้งสองข้างโดยใช้ตัวเชื่อมต่อ RJ45 ที่ได้รับการจัดอันดับ EMC หรือตัวเชื่อมต่อแบบวงกลม M12 ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม เนื่องจากอีเธอร์เน็ตใช้อินเทอร์เฟซแบบคู่หม้อแปลงที่ปฏิเสธการรบกวนในโหมดทั่วไปที่เครื่องรับ ปรัชญาการต่อสายดินของชีลด์สำหรับอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมจึงมีความสำคัญน้อยกว่าฟิลด์บัสที่ใช้ RS-485 แต่คุณภาพเชิงกลของการสิ้นสุดชีลด์ที่ขั้วต่อยังคงมีความสำคัญ เนื่องจากการเชื่อมต่อชีลด์อิมพีแดนซ์สูง (สายเดรนผมเปีย) ช่วยให้เส้นทางส่งคืนกระแสชีลด์ของชีลด์พัฒนาที่ความถี่สูง ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของ EMC ของสายเคเบิลลดลงสูงกว่า 100 MHz

ตัวต้านทานการสิ้นสุดสายเคเบิล Fieldbus: เหตุใดจึงต้องมี และค่าที่ไม่ถูกต้องทำให้เกิดความไม่เสถียรของเครือข่ายอย่างไร

ตัวต้านทานการสิ้นสุดบัสเป็นส่วนประกอบบังคับของการติดตั้งฟิลด์บัสที่ใช้ RS-485 รวมถึง PROFIBUS DP, CANopen และ DeviceNet แต่องค์ประกอบเหล่านี้ยังเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่ใช้หรือละเว้นอย่างไม่ถูกต้องโดยทั่วไปมากที่สุดในกรณีการแก้ไขปัญหาเครือข่ายฟิลด์บัส หน้าที่ของพวกเขาคือการดูดซับพลังงานของสัญญาณที่ไปถึงจุดสิ้นสุดของ สายเคเบิลบัส และป้องกันไม่ให้สัญญาณสะท้อนกลับไปสู่แหล่งสัญญาณ การทำความเข้าใจฟิสิกส์ของการยุติจะอธิบายได้ว่าเหตุใดค่าตัวต้านทานที่ไม่ถูกต้องหรือตัวต้านทานหลายตัวที่ใช้ในตำแหน่งที่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดจึงเป็นอันตรายต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณบัส

เมื่อสัญญาณแพร่กระจายไปตามสายส่งและถึงความต้านทานไม่ต่อเนื่อง คลื่นสะท้อนจะถูกสร้างขึ้นด้วยแอมพลิจูดที่เป็นสัดส่วนกับสัมประสิทธิ์การสะท้อน Γ = (Z_load − Z₀) / (Z_load Z₀) ที่จุดสิ้นสุดของวงจรเปิด (Z_load → ∞) Γ = 1 และคลื่นสะท้อนมีขั้วและแอมพลิจูดเต็มเดียวกันกับคลื่นตกกระทบ ที่จุดสิ้นสุดของการลัดวงจร Γ = −1 และคลื่นสะท้อนจะมีแอมพลิจูดเท่ากันแต่มีขั้วตรงกันข้าม ตัวต้านทานปลายสายเท่ากับอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของสายเคเบิล (Z_load = Z₀) จะสร้าง Γ = 0 — ไม่มีการสะท้อน สำหรับ PROFIBUS DP ที่มี Z₀ = 150 Ω ตัวต้านทานปลายสายจะถูกระบุเป็น 150 Ω สำหรับ DeviceNet ที่มี Z₀ = 120 Ω ตัวต้านทานปลายสายคือ 120 Ω สำหรับ CANopen (รวมถึงเลเยอร์ฟิสิคัล ISO 11898 ด้วย) การสิ้นสุดคือ 120 Ω ที่ปลายแต่ละด้านของบัสหลัก

ผลที่ตามมาของค่าการสิ้นสุดที่ไม่ถูกต้องนั้นขึ้นอยู่กับระดับสัญญาณโดยเฉพาะ ตัวต้านทานปลายสายต่ำกว่าข้อกำหนด 20% (120 Ω แทนที่จะเป็น 150 Ω บน PROFIBUS) สร้างสัมประสิทธิ์การสะท้อนที่ Γ = (120−150)/(120 150) = −0.11 ทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่ 11% ของแอมพลิจูดตกกระทบที่ซ้อนทับบนสัญญาณที่โหนดทั้งหมดระหว่างเทอร์มิเนเตอร์และแหล่งสัญญาณ สำหรับสัญญาณ PROFIBUS DP ที่มีแอมพลิจูดดิฟเฟอเรนเชียล 5V การสะท้อนกลับ 11% จะเพิ่มการรบกวน 0.55V ที่มาถึงแต่ละโหนด หน่วงเวลาไปกลับหนึ่งรอบหลังจากขอบสัญญาณดั้งเดิม ที่ความเร็ว 12 Mbps ความล่าช้านี้อยู่ภายในช่วงบิตสำหรับเซกเมนต์ยาว ทำให้เกิดการรบกวนขอบสะท้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างหน้าต่างสุ่มตัวอย่างของเครื่องรับดาวน์สตรีม และเพิ่มอัตราข้อผิดพลาดบิต การละเว้นการสิ้นสุดโดยสิ้นเชิง (วงจรเปิด) จะสร้างการสะท้อนแบบเต็มแอมพลิจูดซึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะฝ่าฝืนเกณฑ์ตรรกะของตัวรับสัญญาณดาวน์สตรีม ทำให้เกิดความล้มเหลวในการสื่อสารโดยสิ้นเชิงที่อัตราการรับส่งข้อมูลสูงแม้ในส่วนที่สั้น

กฎที่เข้าใจผิดบ่อยครั้งคือ จะต้องติดตั้งตัวต้านทานการสิ้นสุดที่จุดปลายทางกายภาพสองจุดของสายเคเบิลบัสหลักเท่านั้น ห้ามติดตั้งที่ก๊อกกลาง การเชื่อมต่อเดือย หรือจุดแยกตัว T การติดตั้งตัวต้านทานปลายสายที่เดือยกลางจะทำให้เกิดอิมพีแดนซ์แบบขนานกับกราวด์ที่จุดนั้น ซึ่งจะช่วยลดอิมพีแดนซ์บัสที่มีประสิทธิผล และสร้างการสะท้อนทุกครั้งที่เปลี่ยนสัญญาณ โดยไม่คำนึงถึงค่าตัวต้านทาน ตัวทวน PROFIBUS ซึ่งสร้างสัญญาณใหม่และสร้างเซกเมนต์บัสใหม่ จะต้องถือเป็นจุดสิ้นสุดของเซกเมนต์ในแง่ของการสิ้นสุด — แต่ละด้านของรีพีทเตอร์คือเซกเมนต์ที่แยกจากกันโดยมีตัวต้านทานการสิ้นสุดคู่ของตัวเองที่จุดสิ้นสุดของเซกเมนต์

การจัดอันดับด้านสิ่งแวดล้อมและกลไกสำหรับสายเคเบิล Fieldbus ในการติดตั้งทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง

สายเคเบิลฟิลด์บัสมาตรฐานที่ออกแบบมาสำหรับการเดินสายไฟแบบแผงและสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมเบาไม่เหมาะสำหรับการติดตั้งในสภาพแวดล้อมโรงงานที่มีกระบวนการที่รุนแรงโดยไม่มีการตรวจสอบระดับสภาพแวดล้อมอย่างชัดเจน โรงกลั่นน้ำมัน โรงงานเคมี โรงงานแปรรูปอาหาร สถานีไฟฟ้าย่อยกลางแจ้ง และเครื่องจักรที่มีการสั่นสะเทือนสูงหรือการเคลื่อนที่ของสายเคเบิลอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดความเครียดทางกลและทางเคมีที่แจ็คเก็ตเคเบิลฟิลด์บัสมาตรฐานและวัสดุฉนวนไม่สามารถทนต่ออายุการใช้งาน 15-25 ปีที่คาดหวังของโครงสร้างพื้นฐานการควบคุมกระบวนการ การเลือกสายเคเบิลฟิลด์บัสที่มีระดับสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับสภาพการติดตั้งมีความสำคัญพอๆ กับการเลือกข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่ถูกต้อง

ข้อกำหนดด้านความทนทานต่อสารเคมี

สภาพแวดล้อมในโรงงานในกระบวนการผลิตทำให้สายเคเบิลฟิลด์บัสสัมผัสกับไฮโดรคาร์บอน (น้ำมัน เชื้อเพลิง ตัวทำละลายอะโรมาติก) สารทำความสะอาดที่เป็นด่าง กรด และไอน้ำ ซึ่งแต่ละชนิดจะย่อยสลายวัสดุแจ็คเก็ตเฉพาะในอัตราที่ต่างกัน แจ็คเก็ต PVC มาตรฐานมีความทนทานต่ออะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอน (น้ำมันแร่ ดีเซล) ได้ดี แต่ขยายตัวได้ดีในตัวทำละลายอะโรมาติก (โทลูอีน ไซลีน) และถูกโจมตีโดยกรดและด่างเข้มข้น ปลอกหุ้มโพลียูรีเทน (PUR) ให้ความทนทานต่อน้ำมันและเชื้อเพลิงดีเยี่ยม ทนต่อการเสียดสีได้ดีเยี่ยม และมีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำได้ดี ทำให้เป็นวัสดุหุ้มปลอกที่ต้องการสำหรับสายเคเบิล fieldbus ในสภาพแวดล้อมของเครื่องมือกลและวิศวกรรมเครื่องกลซึ่งมีของเหลวในการตัด น้ำมันไฮดรอลิก และสารหล่อเย็น อย่างไรก็ตาม PUR ไวต่อการไฮโดรไลซิสในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงและมีอุณหภูมิสูง สายเคเบิลฟิลด์บัสที่หุ้มด้วยแจ็คเก็ต PUR ที่ติดตั้งในพื้นที่แปรรูปอาหารที่ทำความสะอาดด้วยไอน้ำอาจเสื่อมคุณภาพโดยการแตกสายโซ่ไฮโดรไลติกของพันธะยูรีเทน ส่งผลให้แจ็คเก็ตแตกร้าวหลังจากผ่านไป 3-5 ปี สำหรับสภาพแวดล้อมที่สะอาดด้วยไอน้ำ สารประกอบ PE แบบครอสลิงค์หรือโพลีโพรพีลีนที่มีความต้านทานไฮโดรไลซิสมีความเหมาะสมมากกว่า แม้ว่าจะมีความต้านทานต่อการเสียดสีน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ PUR

ความทนทานทางกลในการใช้งานสายเคเบิลแบบเคลื่อนที่

สายเคเบิล Fieldbus ที่ติดตั้งในแขนหุ่นยนต์ โซ่ลาก หรือเครื่องจักรที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องอื่นๆ จะต้องรักษาพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า — โดยเฉพาะอิมพีแดนซ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะและความสมดุลของความจุของคู่สัญญาณ — ตลอดอายุการใช้งานเชิงกลของสายเคเบิล การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดจากการโยกย้ายของตัวนำ (ตำแหน่งการเลื่อนแกนภายในแจ็คเก็ตภายใต้การโค้งงอซ้ำ ๆ ) จะเปลี่ยนเงื่อนไขการสิ้นสุดของบัส และอาจทำให้เครือข่ายที่ปฏิบัติตามข้อกำหนดก่อนหน้านี้เกิดข้อผิดพลาดในการสะท้อนและการสื่อสารหลังจากการให้บริการที่ขยายออกไป สายเคเบิล Fieldbus ที่ระบุสำหรับการใช้งานงออย่างต่อเนื่องใช้ตัวนำตีเกลียวละเอียด Class 6, เทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE) หรือแจ็คเก็ต PUR และรูปทรงเกลียวที่มีตัวเติมตรงกลางที่ป้องกันการโยกย้ายของแกนกลาง รัศมีการโค้งงอขั้นต่ำสำหรับการดัดงออย่างต่อเนื่องโดยทั่วไปคือ 7.5–10× ของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิล เทียบกับ 4× สำหรับการติดตั้งแบบตายตัว ซึ่งเกินรัศมีการโค้งงอในการติดตั้งแบบตายตัวในโซ่ลากจะทำให้แจ็คเก็ตแตกออกและแกนเปลี่ยนตำแหน่งภายใน 1–3 ล้านรอบการงอ ซึ่งถือว่าสั้นมากจาก 10 ล้านรอบที่คาดไว้สำหรับการใช้งานโซ่ลากทางอุตสาหกรรม

การป้องกันน้ำเข้าและการติดตั้งภายนอกอาคาร

สายเคเบิล Fieldbus ที่ติดตั้งกลางแจ้งหรือในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่เปียกชื้นต้องได้รับการจัดอันดับสำหรับการแช่น้ำเกินกว่าระดับ IP67 หรือ IP68 ของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ปลอกหุ้มด้านนอกของสายเคเบิลจะต้องรักษาความสมบูรณ์เมื่อสัมผัสกับรังสียูวี ฝน การหมุนเวียนของอุณหภูมิตั้งแต่ –40°C ถึง 90°C และความเข้มข้นของโอโซนที่สูงขึ้นเหนือพื้นหลังในสถานที่ใกล้กับอุปกรณ์ปล่อยไฟฟ้า แจ็คเก็ตโพลีเอทิลีนสีดำกันรังสียูวีที่มีปริมาณสารกันยูวีตามที่กำหนด (โดยทั่วไปคือ HALS ที่ 0.2–0.5% โดยน้ำหนักรวมกับคาร์บอนแบล็คที่ 2–3%) ให้ความเสถียรกลางแจ้งที่เพียงพอสำหรับอายุการใช้งาน 20 ปี จุดติดตั้งที่สำคัญคือความต้านทานรังสียูวีภายนอกของสายเคเบิลขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของแจ็คเก็ต ความเสียหายที่พื้นผิวจากการเสียดสี สัตว์ฟันแทะกัด หรือความเครียดในการติดตั้งที่เผยให้เห็นฉนวนที่อยู่ด้านล่างจะทำลายการป้องกันรังสียูวีที่ตำแหน่งนั้น และเริ่มการสลายตัวด้วยแสงอย่างรวดเร็ว สายเคเบิลฟิลด์บัสกลางแจ้งในการติดตั้งที่มีความเสี่ยงต่อความเสียหายทางกลควรมีชั้นป้องกันด้านนอกเป็นเทปเหล็กหรือเกราะเหล็กลูกฟูกใต้แจ็คเก็ต เพื่อป้องกันความเสียหายจากแจ็คเก็ตที่เกิดจากการสัมผัส